数控车床上轴类零件圆柱度误差的快速测量方法研究

俞凌

摘 要：本文以圆柱度误差测量方法为研究对象，对现有的数控车床加工的零件圆柱度误差进行测量分析，提出通过位移传感器的方法进行圆柱度误差测量。通过该方法的使用，可以实现零件加工过程中，不需要取下零件，直接在车床上进行圆柱度误差的测量，有效的提高了数控车床零件表面圆柱度测量的精度和效率。

关键词：圆柱度、测量、数控车床、位移传感器

中图分类号： Tg519 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10 （C）-0000-00

0 导言

零件在生产加工过程中，其精度是决定产品质量和品质的重要标准。轴类零件在数控车床上生产和加工过程中，其表面精度控制主要体现在表面粗糙度，圆柱度，直线度等，而又以圆柱度的控制为表面精度控制的难点。一般现有的加工轴类零件中，往往在圆柱度误差上存在较大的矫正难点。圆柱度的误差也往往会影响到表面的配合性质，定位精度，从而也直接或间接地影响到了设备的回转精度、零件的振动、噪声、密封性等[1]?。

本文通过对现有的测量方法的综述和分析，总结不足，提出通过位移传感器的方法进行圆柱度误差测量。通过该方法的使用，可以实现零件加工过程中，不需要取下零件，直接在车床上进行圆柱度误差的测量，有效的提高了数控车床零件表面圆柱度测量的精度和效率。

1 常见测量方法

目前常见的测量方法有半径测量法，三坐标测量法，两点法，三点法等测量方法，其特点均需要将零件取下车床进行单独测量，进而确定圆柱度误差。

（1）半径测量法；半径测量法在测量过程中，以侧头相对于被测圆柱面移动的轨迹，模拟理想圆柱面。半径变化量即为实际圆柱面上采样点相对于理想圆柱面的偏离量。（2）三坐标测量法；通常是在三坐标测量机上按要求测量被测零件各个截面轮廓点的坐标值，再利用计算机计算圆柱度误差。（3）两点法；通常利用档铁依靠被测零件，百分表侧头紧贴零件表面，在给定截面上回转零件，测得该截面内百分表的最大值和最小值，通过做差法计算零件的圆柱度误差值。（4）三点法；通常利用V型块固定零件，百分表侧头百分表侧头紧贴零件表面，在给定截面上回转零件，测得该截面内百分表的最大值和最小值，通过做差法计算零件的圆柱度误差值。该方法和两点法的区别在于固定零件的方式上。

目前，在在位测量上，国内外技术相对比较成熟，同时也有相应的案例。比如使用V型块法测量大型轴类零件的圆柱度，该方法需要V型块对零件进行接触，存在对零件表面的细微磨损，同时也存在导轨的直线度误差、导轨对于被测工件主轴的平行度误差等缺陷[2]。

2 位移传感器法的原理

本文提出一种简易的测量方法，可以实现在车床上加工轴类零件过程中，不需要卸下零件，直接通过设置于机床刀架上的一组相对设置的位移传感器，在主轴慢转的条件下，感应零件表面的细小变化。该方法可以实现精度达到10-100μm左右精度，满足现有大部分零件精度要求。

如图1所示，传感器为位移传感器，定距离相对180度设置两个，距离为L0。该组传感器利用传感器基座进行固定，为便于移动测量不同截面圆柱度误差，改组传感器基座可通过磁铁吸附于机床刀架，确保了直线位移的精确性。

以位置X1为例，当测量该截面时，传感器通过刀架位移至位置1，同时主轴可用S50的速度旋转。位移传感器1检测改点与零件表面的数据集合L1，位移传感器2检测改点与零件表面的数据集合L2，可计算出该截面的直径集合L：

L=L0-L1-L2

该结果通过计算可以得到实际零件表面在该截面上的圆柱度误差制值。

假设机床机床中心轴和零件中心轴为重合的。要计算零件表面到零件中心轴Z之间的半径R，应该考虑传感器中心位置Z0与零件中心轴Z之间的水平偏差Ea，以及两个传感器中心位置Z0与零件中心轴Z之间的垂直偏差Ev。

对于水平偏差Ea，因为所测零件为轴类零件，直径处即为量数值最大处，故可以通过在测量之前手工调整的方式进行找正。具体方式为使用手轮控制刀架机床X轴方向移动，时事关注L量的变化，最大处即为直径处（Ea量控制到接近0）。

因为垂直方向偏量无法通过手动找正，但为恒定量。同时考虑到传感器1和传感器2之间是呈180度相对设置的，故在计算过程中可将两组数据L1和L2作差，得出的结果存在一个恒定的偏量Ev，该偏量即为传感器中心位置Z0和Z之间的垂直方向偏差，在计算圆柱度误差过程中，该偏量Ev对误差值不受影响，如果需要确定实际半径R的时候可以通过减去Ev量进行校正。

最终取该截面零件实际半径R值集合为：

R=L/2

取改组数据中最大与最小值差值可得到该截面圆度误差：

Ci=Rmax-Rmin=（Lmax-Lmin）/2

取多组数据（一般取4-8组）半径集合R，可测得该零件的圆柱度误差CY，即为Ci中最大值。

CY=Cimax

3 实验过程即数据处理

通过对位移传感器法测量轴类零件的圆柱度方式的原理分析，以实际加工零件一组数据进行实验验证。本次采用的零件为Φ150-Φ100*200台阶圆轴。使用的机床为CK6140发耐克数控系统车床，进给量0.04-2.16mm。同时，考虑到测量温度对零件膨胀的影响，在接近20 ℃，零件线膨胀量最小（绝对值）[3]。本次实验室车间室内温度为20℃。

如图所示，分别在Φ150和Φ100圆柱外表面选取四个测量截面直径（L），通过Ci=Rmax-Rmin=（Lmax-Lmin）/2

计算得到该截面圆度Ci，数据如表1及表2。

此处圆度Ci取0.057。所以该表面的圆柱度为CY=0.057mm=57μm。

同时，该零件Φ150和Φ100两处圆柱表面用专业三坐标测量仪测得圆柱度值为68μm和64μm。可见该方法测量圆柱度是可靠的。

4 误差分析

运用位移传感器法测量轴类零件的圆柱度主要误差来源包括位移传感器固定基座在刀架移动过程中的振动等因素均可引起圆柱度测量误差。其主要误差来源和解决方法如下：

（1）基座在跟随刀架移动过程中的振动引起的误差，可通过减小刀架进给量来减小。

（2）水平方向偏差找正过程中人工读数存在的误差，该误差可通过多次往复找正实现误差最小化。

（3）机床导轨等机械设备的误差，偶然误差的存在，该误差为必然存在的误差，可通过多次测量实现误差最小化。

5 结语

运用位移传感器法测量轴类零件的圆柱度可以有效得到可靠的圆柱度误差数据，与现有的三坐标测量仪得出的结论精度相近。同时该方法可以实现零件在数控车床上在位测量，减小了零件拆装对误差测量的影响，可实现即测即加工，实现在车床加工过程中快速测量零件圆柱度的效果。

参考文献：

[1] Shaway A M，Elbestawi M A.In-proeess evaluation of workpiece geometrical tolerance in bar turning[J].International of Machine Tools and Manufacture，1996（ 36）：33-46.

[2] 钟茜，徐向紘. 基于V 型块法的大型轴类零件圆柱度在位测量机构的研究[J].现代制造工程，2015（6）：128-131.

[3] 楊武成，胡玲玲，孙俊茹. 温度变化对零件测量误差的影响[J].计量与测试技术.2008（35）：46-48.